SK1582022U1

SK1582022U1 - The circuit for monitoring cardiorespiratory activity using a digital inductance converter

Info

Publication number: SK1582022U1
Application number: SK158-2022U
Authority: SK
Inventors: doc. Ing. Borik Štefan PhD.; Bc. Strych Juraj
Original assignee: Žilinská Univerzita V Žiline
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-03-29
Also published as: SK9811Y1

Abstract

The circuit for monitoring cardiorespiratory activity using a digital inductance converter consists of a charging and monitoring circuit (1) battery, battery (2), voltage regulator (3), system (4) planar coils, digital converter (5) inductance, microcontroller (6) and circuits used for data transmission, specifically block (7) of serial communication, or block (8) of radio frequency communication and block (9) of Bluetooth communication. In the case of wireless communication, the connection also contains output communication circuits (10) for the needs of changing the settings of the digital inductance converter (5) and the microcontroller (6). Data processing and storage is ensured by a suitable computing device (11).

Description

Oblasť technikyThe field of technology

Technické riešenie sa týka zapojenia na monitorovanie kardiorespiračnej činnosti prostredníctvom digitálneho prevodníka indukčnosti a planárnych cievok. Technické riešenie spadá do oblasti biomedicínskeho inžinierstva.The technical solution concerns the connection for monitoring cardiorespiratory activity through a digital inductance converter and planar coils. The technical solution falls into the field of biomedical engineering.

Doterajší stav technikyCurrent state of the art

Monitorovanie životných funkcií zohráva dôležitú úlohu pri hodnotení stavu organizmu a včasnej diagnostike ochorení. Etablované metódy poskytujú množstvo užitočných informácií o fyziologických alebo patofyziologických procesoch v ľudskom organizme s vysokou spoľahlivosťou. Ich dlhodobá a kontaktná aplikácia môže pacientom vyvolávať pocity nepohodlia. Napr. používanie nalepovacích elektród pri elektrokardiografii môže viesť k vzniku alergických reakcií. Inovatívne riešenia sú schopné kardiorespiračnú činnosť zaznamenávať bezkontaktne a bez použitia pohybu obmedzujúcich vodičov.Monitoring of vital functions plays an important role in the assessment of the body's condition and early diagnosis of diseases. Established methods provide a lot of useful information about physiological or pathophysiological processes in the human organism with high reliability. Their long-term and contact application may cause discomfort to patients. For example the use of adhesive electrodes during electrocardiography can lead to allergic reactions. Innovative solutions are able to record cardiorespiratory activity without contact and without the use of movement-limiting conductors.

Prvé riešenia využívajúce indukčnú väzbu medzi telom pacienta a cievkou sa začali objavovať v prvej polovici minulého storočia. Z meraní vodivosti hrudníka indukčnou metódou vyplynulo, že vplyvom respirácie dochádza k fluktuácií nameranej hodnoty vodivosti o 4 % a vplyvom srdcových úderov o 1 % (pozri Tarjan, P. P., & McFee, R. (1968). Electrodeless measurements of the effective resistivity of the human torso and head by magnetic induction. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, (4), 266-278). Systémy využívajúce budiace a snímacie cievky boli schopné zachytiť kardiorespiračnú aktivitu a boli implementované do lôžka pre bezkontaktné meranie životných funkcií (Steffen, M., & Leonhardt, S. (2008). Non-contact monitoring of heart and lung activity by magnetic induction measurement. Acta Polytechnica, 48(3)).The first solutions using inductive coupling between the patient's body and the coil began to appear in the first half of the last century. From measurements of the conductivity of the chest using the induction method, it was found that due to the influence of respiration, the measured conductivity value fluctuates by 4% and by the influence of heartbeats by 1% (see Tarjan, P. P., & McFee, R. (1968). Electrodeless measurements of the effective resistivity of the human torso and head by magnetic induction.IEEE Transactions on Biomedical Engineering, (4), 266-278). Systems using excitation and sensing coils were able to capture cardiorespiratory activity and were implemented at the bedside for non-contact measurement of vital functions (Steffen, M., & Leonhardt, S. (2008). Non-contact monitoring of heart and lung activity by magnetic induction measurement. Acta Polytechnica, 48(3)).

Dvojica budiacej a snímacej cievky môže byť nahradená samostatnou cievkou. Striedavý prúd prechádzajúci induktorom generuje nestacionárne magnetické pole v jeho okolí. Vo vodivom materiáli sa indukujú vírivé prúdy, ktorých magnetické pole pôsobí proti poľu, ktoré tieto prúdy vyvolalo (Lenzov zákon). Zapojenia s jednou cievkou zvyčajne obsahujú Colpittsov, Harlteyho alebo Clappov oscilátor fungujúci ako generátor kmitov potrebný pre budenie cievky. Získaný signál je modulovaný vplyvom zmien hrudnej impedancie v dôsledku hrudnej aktivity. Frekvenčná zmena môže byť odmeraná prostredníctvom frekvenčného počítadla. Obdobné zapojenie implementovali do sedadla v Teichmann, D., Foussier, J., Jia, J., Leonhardt, S., & Walter, M. (2013). Noncontact monitoring of cardiorespiratory activity by electromagnetic coupling. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 60(8), 2142-2152. Rovnaká výskumná skupina vykonala štúdie týkajúce sa citlivosti, hĺbky prieniku, vplyvu prídavných cievok a integrácie cievok do textilu (Teichmann, D., Kuhn, A., Leonhardt, S., & Walter, M. (2014). The MAIN shirt: A textile-integrated magnetic induction sensor array. Sensors, 14(1), 1039-1056).The pair of excitation and sensing coils can be replaced by a single coil. An alternating current passing through an inductor generates a non-stationary magnetic field in its vicinity. Eddy currents are induced in the conductive material, whose magnetic field acts against the field that induced these currents (Lenz's law). Single-coil connections usually include a Colpitts, Harltey or Clapp oscillator acting as the oscillator required to excite the coil. The obtained signal is modulated by the influence of changes in thoracic impedance due to thoracic activity. The frequency change can be measured using a frequency counter. A similar connection was implemented in the seat in Teichmann, D., Foussier, J., Jia, J., Leonhardt, S., & Walter, M. (2013). Noncontact monitoring of cardiorespiratory activity by electromagnetic coupling. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 60(8), 2142-2152. The same research group conducted studies on sensitivity, penetration depth, the effect of additional coils, and the integration of coils into the textile (Teichmann, D., Kuhn, A., Leonhardt, S., & Walter, M. (2014). The MAIN shirt: A textile-integrated magnetic induction sensor array.Sensors, 14(1), 1039-1056).

Digitálny prevodník indukčností (ďalej len LDC, z angl. Indutance-to-Digital Converter) zaznamenáva zmeny rezonančnej frekvencie použitej detekčnej (napr. planárnej) cievky spôsobené kardiorespiračnou činnosťou. V nositeľných zariadeniach spĺňa toto riešenie požiadavky nízkej spotreby energie a malých rozmerov. V kombinácii so senzorom umiestneným v textile alebo priamo z neho vyhotoveným a bezdrôtovou komunikáciou sa dáta posielajú do centrálneho uzla, v ktorom dôjde k ich spracovaniu. Centrálny uzol prijíma dáta z viacerých senzorov umiestnených na rôznych miestach s cieľom zaznamenať dychovú resp. srdcovú aktivitu (pozri Brezulianu, A., Geman, O., Zbancioc, M. D., Hagan, M., Aghion, C., Hemanth, D. J., & Son, L. H. (2019). IoT based heart activity monitoring using inductive sensors. Sensors, 19(15), 3284).The digital inductance converter (LDC, from the English Inductance-to-Digital Converter) records changes in the resonance frequency of the used detection (e.g. planar) coil caused by cardiorespiratory activity. In wearable devices, this solution meets the requirements of low power consumption and small dimensions. In combination with a sensor placed in the textile or made directly from it and wireless communication, the data is sent to a central node where it will be processed. The central node receives data from several sensors located in different places in order to record respiratory or heart activity (see Brezulianu, A., Geman, O., Zbancioc, M. D., Hagan, M., Aghion, C., Hemanth, D. J., & Son, L. H. (2019). IoT based heart activity monitoring using inductive sensors. Sensors , 19(15), 3284).

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Vyššie uvedené technické riešenia síce umožňujú sledovanie kardiorespiračnej činnosti, ale len v obmedzenom rozsahu. Ich limitáciou je výber senzorov, príp. voľba technických prostriedkov spracovania signálov. Niektoré riešenia neumožňujú digitálne spracovanie signálov a ich výstupom je len signál v jeho analógovej forme. Ďalšou nevýhodou týchto riešení je, že pre detekciu zmien indukovaného magnetického poľa využívajú analógové diskrétne zapojenie v podobe oscilátora a zároveň takto detegovaný signál priemerujú, čo síce zvyšuje odstup signálu od šumu, ale na druhej strane tento spôsob spracovania negatívne ovplyvňuje celkovú dynamiku zariadenia. Riešením je využitie digitálneho prevodníka indukčnosti, ako je uvedené aj v doterajšom stave techniky. Toto riešenie využíva LDC s rozlíšením 28-bitov a simultánny záznam len z dvoch kanálov, čo nemusí byť dostatočný počet pre detekciu kardiorespiračnej činnosti a elimináciu nežiaducich artefaktov. Uvedené nedostatky do značnej miery odstraňuje zapojenie na monitorovanieAlthough the technical solutions mentioned above allow the monitoring of cardiorespiratory activity, but only to a limited extent. Their limitation is the choice of sensors, or choice of technical means of signal processing. Some solutions do not allow digital signal processing and their output is only the signal in its analog form. Another disadvantage of these solutions is that they use analog discrete wiring in the form of an oscillator to detect changes in the induced magnetic field and at the same time average the detected signal, which increases the signal-to-noise ratio, but on the other hand, this method of processing negatively affects the overall dynamics of the device. The solution is the use of a digital inductance converter, as also stated in the prior art. This solution uses LDC with 28-bit resolution and simultaneous recording from only two channels, which may not be a sufficient number to detect cardiorespiratory activity and eliminate unwanted artifacts. The indicated shortcomings are largely eliminated by involvement in monitoring

SK 158-2022 U1 kardiorespiračnej činnosti s využitím digitálneho prevodníka indukčnosti, ktorý ponúka kompromis v podobe 24-bitového rozlíšenia. Takéto rozlíšenie je úplne postačujúce pre snímanie kardiorespiračnej činnosti a zároveň znižuje počet prenášaných bajtov o jeden v porovnaní s 28-bitovým riešením, kde je nutný 4-bajtový prenos a 4 bity sú teda redundantné. Zapojenie na monitorovanie kardiorespiračnej činnosti s využitím digitálneho prevodníka indukčnosti zároveň umožňuje pripojenie sústavy planárnych cievok s počtom do 4 kusov, čo je o dve snímacie cievky naviac oproti už existujúcemu riešeniu a umožňuje tak robustnejšie snímanie kardiorespiračnej činnosti z viacerých miest simultánne, príp. lepšiu elimináciu napr. pohybových artefaktov. Zároveň nie je potreba priemerovania údajov vďaka prevodníku s vysokým rozlíšením, čo pozitívne ovplyvňuje celkovú dynamiku meracieho zariadenia. Dáta sú po predspracovaní zároveň dostupné v digitálnej forme pre ďalšie spracovanie na vybranom výpočtovom zariadení.SK 158-2022 U1 of cardiorespiratory activity using a digital inductance converter, which offers a compromise in the form of 24-bit resolution. Such a resolution is completely sufficient for sensing cardiorespiratory activity and at the same time reduces the number of transmitted bytes by one compared to a 28-bit solution, where 4-byte transmission is required and 4 bits are thus redundant. Connection for monitoring cardiorespiratory activity using a digital inductance converter also enables the connection of a system of planar coils with a number of up to 4 pieces, which is two more sensing coils compared to the already existing solution and thus enables more robust sensing of cardiorespiratory activity from several places simultaneously, or better elimination, e.g. motion artifacts. At the same time, there is no need to average data thanks to the high-resolution converter, which positively affects the overall dynamics of the measuring device. After preprocessing, the data are also available in digital form for further processing on the selected computing device.

Zdroj energie potrebný pre správny chod systému zabezpečuje jednosmerný (DC) napäťový zdroj alebo akumulátor. Jeho monitorovanie a nabíjanie sú zabezpečené príslušným nabíjacím obvodom. LDC a mikrokontrolér sú napájané prostredníctvom napäťového regulátora pripojeného na DC zdroj alebo akumulátor.The energy source necessary for the proper operation of the system is provided by a direct current (DC) voltage source or accumulator. Its monitoring and charging are ensured by the appropriate charging circuit. The LDC and the microcontroller are powered by a voltage regulator connected to a DC source or accumulator.

Ako senzor, resp. sústava senzorov, sú využívané planárne cievky. Planárna cievka sa pritom správa ako rezonančný obvod. Jej rezonančná frekvencia závisí od hodnoty indukčnosti a parazitnej kapacity cievky. Princíp merania je založený na indukčnej väzbe medzi vyšetrovaným médiom a planárnou cievkou. Zmeny vlastností vyšetrovaného objektu spôsobujú zmeny vlastností meracej planárnej cievky. LDC túto zmenu zachytáva prostredníctvom snímania rezonančnej frekvencie planárnej cievky. Rezonančná frekvencia planárnej cievky je prostredníctvom LDC zosnímaná s preddefinovanou vzorkovacou frekvenciou a následne poslaná cez počítačovú sériovú zbernicu I²C (z angl. Inter-lntegrated Circuit) do mikrokontroléra. Dostatočne vysoká vzorkovacia frekvencia a amplitúdové rozlíšenie je vhodné na monitorovanie zmien impedancie spôsobených kardiorespiračnou činnosťou.As a sensor or system of sensors, planar coils are used. The planar coil behaves like a resonant circuit. Its resonant frequency depends on the inductance value and parasitic capacitance of the coil. The measurement principle is based on the inductive coupling between the investigated medium and the planar coil. Changes in the properties of the investigated object cause changes in the properties of the measuring planar coil. The LDC captures this change by sensing the resonance frequency of the planar coil. The resonant frequency of the planar coil is scanned by the LDC with a predefined sampling frequency and then sent via the computer serial bus I ² C (from the English Inter-lntegrated Circuit) to the microcontroller. Sufficiently high sampling frequency and amplitude resolution is suitable for monitoring impedance changes caused by cardiorespiratory activity.

Výsledný signál získaný touto metódou je závislý od množstva faktorov. Medzi faktory môžeme zahrnúť parametre cievky, umiestnenie senzora, nastavenie registrov LDC či prítomnosť náhodných artefaktov (napr. pohyb). S rastúcim priemerom cievky rastie hĺbka prieniku magnetického poľa (elektromagnetickej vlny) a teda senzor je schopný zachytiť zmeny média vo väčšej vzdialenosti príp. hĺbke vyšetrovaného materiálu. Zmena indukčnosti cievky ovplyvňuje jej výslednú rezonančnú frekvenciu. Väčšina dostupných LDC je schopná pracovať len v určitom frekvenčnom rozsahu a používaný senzor (planárna cievka) musí svojimi vlastnosťami spadať do tohto intervalu. Pomocou registrov zariadenia LDC je možné povoliť jednotlivé kanály, nastaviť periódu vzorkovania a iné parametre.The resulting signal obtained by this method depends on a number of factors. Among the factors we can include the parameters of the coil, the location of the sensor, the setting of the LDC registers or the presence of random artifacts (e.g. movement). As the diameter of the coil increases, the depth of penetration of the magnetic field (electromagnetic wave) increases and thus the sensor is able to detect changes in the medium at a greater distance or. depth of the investigated material. Changing the inductance of the coil affects its resulting resonant frequency. Most of the available LDCs are able to work only in a certain frequency range, and the used sensor (planar coil) must fall within this interval by its properties. Using the registers of the LDC device, it is possible to enable individual channels, set the sampling period and other parameters.

Signál získavaný z LDC je modulovaný zmenami hrudnej impedancie, ktorá je výsledkom fyziologických aktivít tela. Zmeny impedancie môžu byť spôsobené zmenami objemu - napr. zmeny objemu krvi pri systole a diastole, posunmi rozhraní rôznych tkanív - napr. nadvihnutie srdca pri inspíriu, zmena geometrických rozmerov pľúc, či prostredníctvom mikroskopických procesov - napr. zmeny iónových koncentrácií. Vzdialenosť cievky od meraného média vplýva na výsledný signál a jej zmeny pri náhodných pohyboch spôsobujú vznik neželaných artefaktov vo výslednom signáli. Kvalita signálu respiračnej a kardiovaskulárnej aktivity sa v závislosti od umiestnenia senzora mení. Optimálne umiestnenie senzorov môže závisieť i od meraného subjektu a môže byť určené experimentálne.The signal obtained from the LDC is modulated by changes in thoracic impedance resulting from the physiological activities of the body. Changes in impedance can be caused by changes in volume - e.g. changes in blood volume during systole and diastole, shifts of the interfaces of various tissues - e.g. raising the heart during inspiration, changing the geometric dimensions of the lungs, or through microscopic processes - e.g. changes in ion concentrations. The distance of the coil from the measured medium affects the resulting signal, and its changes during random movements cause unwanted artifacts in the resulting signal. The quality of the respiratory and cardiovascular activity signal varies depending on the location of the sensor. The optimal location of the sensors may also depend on the measured subject and can be determined experimentally.

Dáta získavané z LDC môžu byť v závislosti od nastavenia registrov prepočítané na hodnoty rezonančnej frekvencie či indukčnosti. Mikrokontrolér môže byť okrem zabezpečenia obojsmernej komunikácie použitý aj na základné spracovanie dát (napr. priemerovanie a následné zvyšovanie pomeru signál/šum).The data obtained from the LDC can be converted to resonance frequency or inductance values, depending on the setting of the registers. In addition to ensuring two-way communication, the microcontroller can also be used for basic data processing (e.g. averaging and subsequent increase of the signal/noise ratio).

Dáta sú následne prostredníctvom drôtovej resp. bezdrôtovej komunikácie posielané do výpočtového zariadenia (napr. počítač - PC). Prostredníctvom rozhrania asynchrónnej sériovej linky (UART) môžu byť dáta priamo posielané do PC. V prípade bezdrôtovej komunikácie prostredníctvom rádiofrekvenčných (RF) modulov môže byť zapojenie doplnené o centrálny uzol komunikujúci s PC. Výhoda tohto riešenia spočíva v jednoduchom pridaní ďalších senzorických jednotiek a vytvorení bezdrôtovej loT (Internet of Things) siete schopnej získavať dáta z niekoľkých jednotiek súčasne. V prípade použitia Bluetooth komunikácie takýto uzol potrebný nie je a je možné využiť vstavanú komunikáciu počítača či smartfónu.The data are subsequently sent via wire or of wireless communication sent to a computing device (e.g. computer - PC). Through the asynchronous serial line interface (UART), data can be directly sent to the PC. In the case of wireless communication via radio frequency (RF) modules, the connection can be supplemented by a central node communicating with a PC. The advantage of this solution lies in the simple addition of additional sensor units and the creation of a wireless loT (Internet of Things) network capable of acquiring data from several units simultaneously. In the case of using Bluetooth communication, such a node is not necessary and it is possible to use the built-in communication of a computer or smartphone.

V počítači dáta podliehajú filtrácii digitálnymi filtrami a ďalšiemu spracovaniu v závislosti od použitia. Sú vykreslené a následne uložené pre ďalšiu analýzu.In a computer, data is filtered by digital filters and further processed depending on the use. They are rendered and then saved for further analysis.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of images on drawings

Na obr. 1 je zachytená bloková schéma zapojenia na monitorovanie kardiorespiračnej činnosti s využitím digitálneho prevodníka indukčnosti.In fig. 1 is a captured block diagram of a circuit for monitoring cardiorespiratory activity using a digital inductance transducer.

SK 158-2022 U1SK 158-2022 U1

Príklady uskutočneniaImplementation examples

Zapojenie na monitorovanie kardiorespiračnej činnosti s využitím digitálneho prevodníka indukčnosti podľa obr. 1 pozostáva z akumulátora 2, ktorý slúži ako jednosmerný zdroj energie pre napájanie celého zapojenia. Akumulátor 2 je možné nabíjať a monitorovať jeho nabitie pomocou nabíjacieho a monitorovacieho obvodu 1 akumulátora. Napájacie vodiče akumulátora 2 sú prepojené s minimálne dvomi regulátormi 3 napätia, ktoré zabezpečujú požadované napäťové napájacie úrovne pre jednotlivé obvody zapojenia. Centrálnou časťou zapojenia je mikrokontrolér 6, ktorý je pripojený napájacími vodičmi na regulátor 3 napätia. Ďalší regulátor 3 napätia je prepojený napájacími vodičmi s digitálnym prevodníkom 5 indukčnosti, ktorý je prepojený s mikrokontrolérom 6 pomocou dátových signálových vodičov. Na digitálny prevodník 5 indukčnosti je signálovými analógovými vodičmi pripojená sústava 4 planárnych cievok, ktorá slúži ako senzory pre detekciu kardiorespiračnej činnosti. Mikrokontrolér 6 na ovládanie digitálneho prevodníka 5 indukčnosti posiela informácie prostredníctvom bloku 7 sériovej komunikácie dátovými signálovými vodičmi na ďalšie spracovanie do výpočtového zariadenia 11. K výpočtovému zariadeniu 11 sú pomocou digitálnych signálových vodičov pripojené výstupné komunikačné obvody 10 na bezdrôtovú komunikáciu a zasielanie údajov z mikrokontroléra 6 do výpočtového zariadenia 11 cez blok 8 rádiofrekvenčnej komunikácie alebo blok 9 Bluetooth komunikácie, ktoré sú ku mikrokontroléru 6 pripojené dátovými signálovými vodičmi.Connection for monitoring cardiorespiratory activity using a digital inductance converter according to fig. 1 consists of an accumulator 2, which serves as a DC power source for powering the entire circuit. Accumulator 2 can be charged and its charge monitored using the charging and monitoring circuit 1 of the accumulator. The supply wires of the accumulator 2 are connected to at least two voltage regulators 3, which ensure the required voltage supply levels for the individual connection circuits. The central part of the circuit is the microcontroller 6, which is connected by power wires to the voltage regulator 3. Another voltage regulator 3 is connected by power wires to the digital inductance converter 5, which is connected to the microcontroller 6 by means of data signal wires. A system of 4 planar coils, which serve as sensors for the detection of cardiorespiratory activity, is connected to the digital inductance converter 5 by signal analog wires. The microcontroller 6 for controlling the digital inductance converter 5 sends information through the block 7 of serial communication by data signal wires for further processing to the computing device 11. The computing device 11 is connected with the help of digital signal wires to the output communication circuits 10 for wireless communication and sending data from the microcontroller 6 to computing device 11 via block 8 of radio frequency communication or block 9 of Bluetooth communication, which are connected to the microcontroller 6 by data signal wires.

Príklad 1Example 1

V tomto konkrétnom vyhotovení je sústava 4 planárnych cievok umiestnená v operadle kancelárskeho kresla s cieľom monitorovania kardiorespiračnej činnosti sediaceho. Sústava 4 planárnych cievok je umiestnená vo výške hrudníka sediaceho. Napájanie zariadenia je zabezpečené pomocou akumulátora 2 a prostredníctvom regulátorov 3 napätia sú privedené vhodné napájacie napätia na príslušné vývody mikrokontroléra 6 a digitálny prevodník 5 indukčnosti. Komunikácia medzi kreslom a výpočtovým zariadením 11 je zabezpečená prostredníctvom bloku 9 Bluetooth komunikácie a výstupných komunikačných obvodov 10. Nastavenie digitálneho prevodníka 5 indukčnosti sa mení dynamicky v závislosti od aktuálnej situácie. V prípade, ak sediaci nie je prítomný, vzorkovacia frekvencia je znížená na minimum a je povolený len jediný kanál s cieľom minimalizovať energetickú spotrebu zariadenia. V tomto režime nedochádza k posielaniu dát do výpočtového zariadenia 11. Po detekcii prítomnosti používateľa sa systém prepne do aktívneho režimu, povolia sa všetky kanály a zvýši sa vzorkovacia frekvencia digitálneho prevodníka 5 indukčnosti s cieľom maximalizovať kvalitu získaných dát. V tomto režime dochádza k odosielaniu dát do výpočtového zariadenia 11, kde dochádza k ich spracovaniu. Dáta sú filtrované digitálnymi filtrami vo frekvenčnom intervale dýchania a srdcovej aktivity. Po ďalšom spracovaní dát dôjde k vyhodnoteniu dychovej a respiračnej aktivity sediaceho. Z kontinuálneho merania variability srdcovej frekvencie môže byť vyhodnotená stresová záťaž používateľa. V aplikácii výpočtového zariadenia 11 sú sprístupnené grafy vývoja kardiorespiračnej aktivity, úrovne stresu ako aj času stráveného sedením.In this particular version, a system of 4 planar coils is placed in the back of the office chair with the aim of monitoring the cardiorespiratory activity of the sitter. The system of 4 planar coils is located at the height of the chest of the sitting person. The power supply of the device is ensured by means of the accumulator 2, and through the voltage regulators 3, suitable supply voltages are supplied to the relevant terminals of the microcontroller 6 and the digital inductance converter 5. The communication between the chair and the computing device 11 is ensured through the Bluetooth communication block 9 and the output communication circuits 10. The setting of the digital inductance converter 5 changes dynamically depending on the current situation. In case the sitter is not present, the sampling frequency is reduced to a minimum and only one channel is allowed in order to minimize the power consumption of the device. In this mode, data is not sent to the computing device 11. After detecting the user's presence, the system switches to active mode, all channels are enabled, and the sampling frequency of the digital inductance converter 5 is increased in order to maximize the quality of the data obtained. In this mode, data is sent to the computing device 11, where it is processed. The data are filtered by digital filters in the frequency interval of respiration and cardiac activity. After further data processing, the breathing and respiratory activity of the sitter will be evaluated. From the continuous measurement of heart rate variability, the user's stress load can be evaluated. In the application of the computing device 11, graphs of the development of cardiorespiratory activity, stress level and time spent sitting are made available.

Príklad 2Example 2

V tomto konkrétnom vyhotovení je sústava 4 planárnych cievok umiestnená v operadle niekoľkých kancelárskych kresiel s cieľom monitorovania kardiorespiračnej činnosti sediacich. Sústava 4 planárnych cievok je umiestnená vo výške hrudníka sediacich. Napájanie zariadenia je zabezpečené pomocou akumulátora 2 a prostredníctvom regulátorov 3 napätia sú privedené vhodné napájacie napätia na príslušné vývody mikrokontroléra 6 a digitálneho prevodníka 5 indukčnosti. Komunikácia medzi kreslami a výstupnými komunikačnými obvodmi 10 je zabezpečená prostredníctvom bloku 8 rádiofrekvenčnej komunikácie v pásme 2,4 GHz. Nastavenie digitálneho prevodníka 5 indukčnosti jednotlivých kresiel sa mení dynamicky v závislosti od aktuálnej situácie. V prípade, ak sediaci nie je prítomný, vzorkovacia frekvencia je znížená na minimum a je povolený len jediný kanál s cieľom minimalizovať energetickú spotrebu zariadenia. V tomto režime nedochádza k posielaniu dát do výstupných komunikačných obvodov 10 a výpočtového zariadenia 11. Po detekcii prítomnosti používateľa sa systém prepne do aktívneho režimu, povolia sa všetky kanály a zvýši sa vzorkovacia frekvencia digitálneho prevodníka 5 indukčnosti s cieľom maximalizovať kvalitu získaných dát. V tomto režime dochádza k odosielaniu dát do výstupných komunikačných obvodov 10 a výpočtového zariadenia 11. Komunikácia medzi výstupnými komunikačnými obvodmi 10 a výpočtovým zariadením 11 je zabezpečená pomocou digitálnych signálových vodičov alebo bezdrôtovou technológiou. Dáta z jednotlivých zariadení sú filtrované digitálnymi filtrami vo frekvenčnom intervale dýchania a srdcovej aktivity. Po ďalšom spracovaní dát dôjde k vyhodnoteniu dychovej a respiračnej aktivity používateľov. Z kontinuálneho merania variability srdcovej frekvencie môže byť vyhodnotená stresová záťaž používateľov. V softvérovej aplikáciiIn this particular version, a system of 4 planar coils is placed in the back of several office chairs with the aim of monitoring the cardiorespiratory activity of the sitters. The system of 4 planar coils is located at chest height of the seated person. The power supply of the device is ensured by means of the accumulator 2, and through the voltage regulators 3, suitable supply voltages are supplied to the respective outputs of the microcontroller 6 and the digital inductance converter 5. The communication between the chairs and the output communication circuits 10 is ensured by means of block 8 of radio frequency communication in the 2.4 GHz band. The setting of the digital converter 5 of the inductance of individual chairs changes dynamically depending on the current situation. In case the sitter is not present, the sampling rate is reduced to a minimum and only one channel is allowed in order to minimize the power consumption of the device. In this mode, data is not sent to the output communication circuits 10 and computing device 11. After detecting the user's presence, the system switches to active mode, all channels are enabled, and the sampling frequency of the digital inductance converter 5 is increased in order to maximize the quality of the data obtained. In this mode, data is sent to the output communication circuits 10 and the computing device 11. Communication between the output communication circuits 10 and the computing device 11 is ensured using digital signal wires or wireless technology. Data from individual devices are filtered by digital filters in the frequency interval of breathing and cardiac activity. After further data processing, the breathing and respiratory activity of the users will be evaluated. From the continuous measurement of heart rate variability, the stress load of the users can be evaluated. In a software application

SK 158-2022 U1 výpočtového zariadenia 11 sú sprístupnené grafy vývoja kardiorespiračnej aktivity, úrovne stresu ako aj času stráveného sedením.SK 158-2022 U1 computing device 11 graphs of the development of cardiorespiratory activity, stress level and time spent sitting are made available.

Príklad 3Example 3

V tomto konkrétnom vyhotovení je sústava 4 planárnych cievok umiestnená v lôžku (napr. matrac postele) s cieľom monitorovania kardiorespiračnej činnosti ležiaceho subjektu. Sústava 4 planárnych cievok umiestnená v matraci je rovnomerne rozložená v okolí hrudníka ležiaceho. Napájanie zariadenia je zabezpečené pomocou akumulátora 2 a prostredníctvom regulátorov 3 napätia sú privedené vhodné napájacie napätia na príslušné vývody mikrokontroléra 6 a digitálneho prevodníka 5 indukčnosti. Komunikácia medzi mikrokontrolérom 6 a výpočtovým zariadením 11 je zabezpečená prostredníctvom bloku 7 sériovej komunikácie, prípadne bezdrôtovo pomocou bloku 8 rádiofrekvenčnej komunikácie alebo bloku 9 Bluetooth komunikácie. V prípade bezdrôtovej komunikácie dáta z bloku 8 rádiofrekvenčnej komunikácie alebo bloku 9 Bluetooth komunikácie sú prenesené najprv do výstupných komunikačných obvodov 10 a odtiaľ do výpočtového zariadenia 11. Nastavenie digitálneho prevodníka 5 indukčnosti sa mení dynamicky v závislosti od aktuálnej situácie. V prípade, ak subjekt nie je prítomný, vzorkovacia frekvencia je znížená na minimum a je povolený len jediný kontrolný kanál s cieľom minimalizovať energetickú spotrebu zariadenia. V tomto režime nedochádza k posielaniu dát do výpočtového zariadenia 11. V prípade prítomnosti používateľa sa systém prepne do aktívneho režimu, povolia sa všetky kanály a zvýši sa vzorkovacia frekvencia digitálneho prevodníka 5 indukčnosti s cieľom maximalizovať kvalitu získaných dát. V tomto režime dochádza k odosielaniu dát do výpočtového zariadenia 11, kde dochádza k ich spracovaniu. Dáta sú filtrované digitálnymi filtrami vo frekvenčnom intervale dýchania a srdcovej aktivity. Po ďalšom spracovaní dát dôjde k vyhodnoteniu dychovej a respiračnej aktivity subjektu. Z kontinuálneho merania variability srdcovej frekvencie môže byť vyhodnotená jeho stresová záťaž. V softvérovej aplikácii výpočtového zariadenia 11 sú sprístupnené grafy vývoja kardiorespiračnej aktivity a úrovne stresu. Meranie kardiorespiračnej aktivity takouto metódou je bezkontaktné a pacienta žiadnou formou neobmedzuje. Kvalita získaných signálov závisí od vlastností použitých senzorov, polohy vyšetrovaného subjektu a množstva pohybových artefaktov.In this particular embodiment, the system of 4 planar coils is placed in the bed (e.g. the mattress of the bed) with the aim of monitoring the cardiorespiratory activity of the lying subject. The system of 4 planar coils located in the mattress is evenly distributed around the lying chest. The power supply of the device is ensured by means of the accumulator 2, and through the voltage regulators 3, suitable supply voltages are supplied to the respective outputs of the microcontroller 6 and the digital inductance converter 5. Communication between the microcontroller 6 and the computing device 11 is ensured by means of block 7 of serial communication, or wirelessly by means of block 8 of radio frequency communication or block 9 of Bluetooth communication. In the case of wireless communication, data from block 8 of radio frequency communication or block 9 of Bluetooth communication are transferred first to the output communication circuits 10 and from there to the computing device 11. The setting of the digital inductance converter 5 changes dynamically depending on the current situation. In the event that the subject is not present, the sampling rate is reduced to a minimum and only one control channel is allowed in order to minimize the energy consumption of the device. In this mode, data is not sent to the computing device 11. In the presence of the user, the system switches to active mode, all channels are enabled and the sampling frequency of the digital inductance converter 5 is increased in order to maximize the quality of the data obtained. In this mode, data is sent to the computing device 11, where it is processed. The data are filtered by digital filters in the frequency interval of respiration and cardiac activity. After further data processing, the breathing and respiratory activity of the subject will be evaluated. His stress load can be evaluated from the continuous measurement of heart rate variability. Graphs of the development of cardiorespiratory activity and stress level are made available in the software application of the computing device 11. The measurement of cardiorespiratory activity with this method is non-contact and does not limit the patient in any way. The quality of the obtained signals depends on the characteristics of the sensors used, the position of the subject under investigation and the amount of motion artifacts.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Monitorovanie kardiorespiračnej činnosti s využitím digitálneho prevodníka indukčnosti môže byť aplikované v medicíne, automobilovom priemysle či spotrebiteľskom sektore na bezkontaktné snímanie a vyhodnocovanie dýchania a srdcovej aktivity. Medzi výhody tohto spôsobu merania patrí najmä bezkontaktnosť, neinvazívnosť, nízka energetická závislosť, vysoké rozlíšenie, možnosť snímania z viacerých kanálov či kompatibilita množstva druhov planárnych cievok - využívaných ako senzorov. Senzory môžu byť implementované do lôžok či operadiel, nedochádza k akémukoľvek obmedzeniu používateľa pri meraní. Prenos dát medzi mikrokontrolérom a výpočtovým zariadením môže byť zabezpečený káblom alebo bezdrôtovo pomocou Bluetooth alebo RF komunikáciou.Cardiorespiratory activity monitoring using a digital inductance transducer can be applied in medicine, the automotive industry or the consumer sector for non-contact sensing and evaluation of breathing and heart activity. Among the advantages of this method of measurement are non-contact, non-invasiveness, low energy dependence, high resolution, the possibility of scanning from several channels or the compatibility of many types of planar coils - used as sensors. Sensors can be implemented in beds or backrests, there are no restrictions on the user during measurement. Data transfer between the microcontroller and the computing device can be provided by cable or wirelessly using Bluetooth or RF communication.

SK 158-2022 U1SK 158-2022 U1

Zoznam vzťahových značiekList of relationship tags

- nabíjací a monitorovací obvod akumulátora- battery charging and monitoring circuit

- akumulátor- accumulator

3 - regulátor napätia3 - voltage regulator

- sústava planárnych cievok- system of planar coils

- digitálny prevodník indukčnosti- digital inductance converter

- mikrokontrolér- microcontroller

- blok sériovej komunikácie- serial communication block

8 - blok rádiofrekvenčnej komunikácie8 - block of radio frequency communication

- blok Bluetooth komunikácie- Bluetooth communication block

- výstupné komunikačné obvody- output communication circuits

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

Connection for monitoring cardiorespiratory activity using a digital inductance converter, characterized by the fact that it consists of an accumulator (2), further from the charging and monitoring circuit (1) of the accumulator for its control, while the supply wires of the accumulator (2) are connected to the regulators ( 3) voltages, and the microcontroller (6) and digital inductance converter (5) are connected to these via power supply wires, interconnected by means of data signal wires, while a system (4) of planar coils for cardiorespiratory detection is connected to the inductance digital converter (5) by signal analog wires operations, further consists of a block (7) of serial communication for transferring data from the microcontroller 10 (6) to a computing device (11) or a block (8) of radio frequency communication and a block (9) of Bluetooth communication for transferring data from the microcontroller (6) to the computing device device (11) during wireless communication using output communication circuits (10) connected to it.